роль нейромедиаторов аминокислотного происхождения в

Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 3
УДК 612.816:616-009
А.Г. ЧУМАК, С.А. РУТКЕВИЧ, В.Б. КАЗАКЕВИЧ, И.Ю. АЛЬФЕР
РОЛЬ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ АМИНОКИСЛОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
В РЕГУЛЯЦИИ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА
Recent investigations of human and animals physiology department collaborators and post-graduate students have been reviewed in
this paper. Participation NO-ergic spinal neurochemistry mechanisms in realisation of exciting and inhibition of vistsero-sympathetic
and somato-sympathetic reflex reactions is established. Experimental acknowledgement of interaction glutamic aside, GABA, glicine and nitric
monoxide in polymediator control of spinal motoneurons excitability under visceral and somatic afferent fibers electrostimulation is confirmed.
Важнейшим свойством нервной системы является пластичность – способность нервных элементов
изменять структурно-функциональную организацию под влиянием экзогенных и эндогенных факторов. Это качество необходимо для обеспечения адаптации к изменяющимся условиям внешней и
внутренней среды, в том числе при активации мышечной деятельности или возникновении висцеральной боли. Процессы пластичности нейронов центральной нервной системы обусловливаются изменением экспрессии широкого спектра генов, запуском каскада молекулярных событий, результатом которых является модификация рецепторного аппарата клеток, изменение ионной проницаемости,
58
Биология
и, как следствие, трансформация синаптической эффективности. Изучение литературы по проблеме
нейрохимических механизмов нервной регуляции функций позволяет сделать заключение, согласно
которому медиаторные аминокислоты, среди которых превалируют возбуждающие (глутамат, аспартат) и тормозные (глицин и γ-аминомасляная кислота – ГАМК), могут неоднозначно влиять на состояние нейронных сетей, в том числе вовлеченных в обработку проприоцептивных и ноцицептивных сигналов. Современный принцип множественности медиаторного сигнала подразумевает, что характер синаптического действия определяется не химической природой медиатора, а природой рецепторов постсинаптической клетки, а значит, один и тот же медиатор может оказывать неодинаковое
действие в зависимости от разновидности рецепторов [1, 2]. Одна постсинаптическая клетка может
иметь более одного типа рецепторов для данного медиатора, и каждый из этих рецепторов способен
контролировать разный механизм ионной проницаемости. Немаловажное значение получило открытие
в межклеточных коммуникациях явления объемной передачи химического сигнала, в котором наиболее
полно могут использоваться свойства монооксида азота, производного аминокислоты L-аргинина. Не
так давно типичным химическим синапсом считалось нервно-мышечное соединение, морфофункциональная организация которого обеспечивает быструю передачу сигнала по «анатомическому адресу».
Тем не менее в нервной системе часто можно найти нейронные ансамбли, в которых передача сигнала
происходит по «химическому адресу», т. е. ее эффективность определяется не морфологическим контактом пре- и постсинаптических структур, а наличием специальных рецепторов на клетках-мишенях.
Новый нейротрансмиттерный механизм основан на медленной диффузии нейромедиаторов по межклеточному пространству и их действии на отдаленные от места экзоцитоза несинаптические рецепторы [3, 4].
Как признают большинство современных авторов, классические синаптические и вновь постулированные экстрасинаптические рецепторы возбуждающих и тормозных нейротрансмиттеров аминокислотной природы используются в регуляции практически всех витальных функций. Свой вклад в
обоснование существенной роли монооксида азота, ГАМК, глицина и глутамата при реализации симпатических рефлекторных реакций спинным мозгом внесли и работы преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов кафедры физиологии человека и животных, выполненные в последнее десятилетие.
Так, в рамках совместного белорусско-украинского проекта (руководитель от Института физиологии им. А.А. Богомольца член-корреспондент НАН Украины, профессор В.Ф. Сагач), поддержанного
Белорусским и Украинским республиканскими фондами фундаментальных исследований («Центральные и периферические механизмы влияния монооксида азота на эффективность использования
кислорода тканями», 2005–2007 гг.), получены доказательства активации симпатической нервной системы при тепловом стрессе и участия NO-ергических нейрохимических процессов в формировании импульсной активности симпатических преганглионарных нейронов, или интернейронов, синаптически
связанных с ними, в развитии теплового стресса у крыс. На сегментарном уровне, судя по полученным данным, повышенные концентрации монооксида азота имеют противошоковое действие, поскольку усиливают импульсацию эфферентных симпатических волокон, постоянно оказывающих
прессорное действие на гладкие мышцы сосудов. В пользу противошокового действия монооксида
азота на уровне интернейронного аппарата спинного мозга свидетельствуют также результаты опытов, в которых животным перед перегреванием вводили ингибитор синтазы NO, что предотвращало
повышение симпатического влияния на вазомоторные преганглионарные нейроны и приводило, таким образом, к снижению адаптационных возможностей этих животных в условиях теплового стресса. Вместе с тем общепризнанным является тот факт, что внутривенное введение доноров NO провоцирует падение артериального давления, а введение в кровяное русло ингибиторов NO-синтазы предотвращает развитие шока [5]. Взятые в совокупности, эти данные указывают на неодинаковую и даже противоположную по физиологической направленности роль монооксида азота в системных реакциях на тепловую нагрузку в зависимости от локализации конкретного исполнительного элемента [6].
В содружестве с коллективом Института физиологии НАН Украины выполнены еще два проекта
по грантам Белорусского и Украинского республиканских фондов фундаментальных исследований
(«Роль оксида азота в реакциях сердечно-сосудистой системы при действии стрессовых агентов и гипергликемии», 2007–2009 гг. и «Роль оксида азота в реакциях сердечно-сосудистой системы у животных, адаптированных к физической нагрузке», 2009–2011 гг.).
Полученные в рамках этих проектов данные соответствуют представлениям о том, что гипергликемия, как и другие отклонения показателей гомеостазиса от их оптимальных значений, активирует
симпатическую нервную систему, приводя, в частности, к значительному подъему артериального дав59
Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 3
ления [7–9]. Обнаружено также сходное влияние глюкозы и ингибиторов NO-синтазы на течение гипергликемической гипертензии, что подтверждают результаты исследования эффектов интратекального введения ингибитора NO-синтазы на фоне смоделированной гипергликорахии [7]. Было также
выявлено, что влияния ингибиторов NO-синтазы на активность симпатических преганглионарных
нейронов на фоне гипергликорахии отличаются от эффектов, полученных на фоне нормального
уровня глюкозы. Полученные результаты можно интерпретировать как возможную перестройку
внутриспинальных механизмов, связанных с синтезом и продукцией монооксида азота, в ответ на
увеличение концентрации глюкозы. Однако возможна и иная их трактовка. Разнонаправленные эффекты могут отражать изменение проницаемости гематоэнцефалического барьера в условиях чрезмерной нагрузки глюкозой и активацию симпатических влияний, вызванных подавлением образования монооксида азота в эндотелии пиальных сосудов [10].
В результате последующих экспериментов установлено, что воспроизведение моносинаптического
Н-рефлекса, характеризующего возбудимость мотонейронов спинного мозга, при кондиционирующем
раздражении чувствительных волокон брыжеечного и большеберцового нерва характеризуется снижением его амплитуды, а стимуляция подкожного нерва бедра сопровождается ростом этого показателя. Введение в спинномозговой ликвор ингибитора NO-синтазы уменьшает амплитуду Н-ответов, вызываемых
отдельно или при обусловливающей стимуляции висцеральных и соматических афферентных волокон.
Получены доказательства в пользу того, что регулярные физические нагрузки вызывали адаптивные изменения в функционировании мотонейронов спинного мозга, что выражалось в снижении порога рефлекторной возбудимости и увеличении амплитуды моносинаптического Н-рефлекса. Выявлено, что у животных, которым физические нагрузки предъявлялись в условиях заингибированного
эндогенного синтеза монооксида азота, частота тонической и вызванной импульсной активности в
сосудодвигательных эфферентах брюшного аортального сплетения оказывалась ниже соответствующих показателей контрольных животных, а порог возбудимости мотонейронов повышался. Эти данные свидетельствуют о важной роли нитрергической системы в адаптивных перестройках рефлекторной деятельности при физических нагрузках, что имеет значение и для понимания адаптации человека к тренировочному процессу или тяжелой физической нагрузке [11].
Особенно значимые результаты были получены при выполнении задания «Исследование нейрохимических механизмов регуляции вегетативных функций на уровне спинного мозга» в рамках
ГКПНИ «Современные технологии в медицине» в 2006–2010 гг. Они свидетельствуют о вовлечении
глутамата, монооксида азота, глицин- и ГАМК-ергических нейрохимических механизмов в формирование тонической и рефлекторно вызываемой эфферентной симпатической активности в нервах
брюшного аортального сплетения, иннервирующих органы малого таза.
Рис. 1. Изменение спонтанной импульсной активности в эфферентных волокнах брюшного аортального сплетения
до и после введения глицина (а), γ-аминомасляной кислоты (б) и глутаминовой кислоты (в) под оболочки спинного мозга
к Th9–10-сегментам (г): 1 – эфферентная импульсация до введения растворов аминокислот, 2 – тоническая эфферентная активность через 5 мин после
введения медиаторных субстанций, 3 – импульсная активность через 10 мин после введения аминокислот. На фотографии представлен срез Th9–10-сегмента
спинного мозга крысы. Толщина среза 15 мкм, метод окраски на наличие сукцинатдегидрогеназы, увеличение 2,5
60
Биология
Электрофизиологический анализ вклада синаптически активных аминокислот, опосредующих тормозные процессы, в сегментарное формирование активности симпатических эфферентных волокон
показал симпатоингибирующее действие введенных в ликвор спинного мозга тормозных аминокислот (глицина и ГАМК) и симпатоактивирующий эффект в тех же методических условиях глутамата
натрия (рис. 1). При этом влияние аминокислот определено по отношению к той части симпатических эфферентных волокон, которые регулируют моторику тощей кишки. Действие глицина, в отличие от ГАМК, оказалось дозозависимым, более длительным и глубоким. Выявленный эффект свидетельствует о том, что в спинном мозге существует мощный тормозной глицинергический механизм,
ограничивающий развитие потенциации тех висцеро-симпатических рефлекторных реакций, которые
активируются в процессе возникновения висцеральной боли (рис. 2).
а
б
Рис. 2. Изменение частоты тонической и рефлекторно обусловленной симпатической эфферентной импульсации в волокнах
брюшного аортального сплетения в динамике инфузии глицина (а) и ГАМК (б) (2·10–3 Моль/л; 0,02 мл растворов):
1 – активность до стимуляции, 2 – импульсация в процессе тетанизации (1 мс, 5 В, 10 Гц) брыжеечного нерва,
3 – импульсная активность в первую минуту после прекращения воздействия. Значимое изменение показателя
по сравнению: * – с активностью до стимуляции (t-тест, Р<0,05), # – с соответствующим уровнем до введения растворов
и после введения NaCl 0,9 % (t-тест, Р<0,05)
Кроме того, полученные данные позволили постулировать преимущественно симпатоингибирующее
действие предшественников и доноров NO в ликворе спинного мозга. Использованный нами общепринятый
ингибитор NO-синтазы, метиловый эфир L-нитроаргинина L-NAME, вызывал симпатоингибирующее действие, так же как и L-нитроаргинин (L-NNA) при его аналогичном применении в ликворе спинного мозга [12–14].
Искусственное изменение продукции NO в спинном мозге в результате инъекций ингибитора синтазы монооксида азота (L-NNA) и ее субстрата (L-аргинина) также отражалось на возбудимости центрального звена симпатических рефлексов. Полученные данные позволили сделать заключение о том,
что предшественник монооксида азота в физиологических концентрациях, введенный в ликвор спинного мозга, способен инициировать изменения функций тощей кишки, так или иначе модифицируя
паттерн симпатической эфферентной импульсации в брыжеечных нервах. Следовательно, при повышении концентрации L-аргинина или монооксида азота в цереброспинальной жидкости при различных функциональных состояниях организма возможны возмущающие, дизрегуляционные воздействия на висцеральную сферу. Эндотелиоцитам пиальных сосудов спинного мозга либо твердой мозговой оболочки при этом может принадлежать решающая роль, поскольку эндотелиальные клетки
являются постоянно действующим источником NO в ликворе [15, 16]. Вместе с тем установленное в
работе [12] симпатовозбуждающее влияние L-аргинина на активность эфферентных симпатических
волокон в составе нервных ветвей брюшного аортального сплетения свидетельствует о том, что
внутриспинальные механизмы формирования тонической симпатической эфферентной импульсации,
адресующейся разным органам – мишеням иннервации, могут по-разному реагировать на повышение
в ликворе предшественника монооксида азота, что не противоречит современным представлениям
[12–14, 17, 18]. В то же время было обнаружено, что интратекальное введение ингибитора
NO-синтазы L-NAME к нижним грудным сегментам спинного мозга вызывало значительное ослабление тонической эфферентной импульсации.
Таким образом, в экспериментах получены данные о тормозном характере действия доноров монооксида азота, глицина и ГАМК в ликворе на симпатическую нервную активность, что предполагает
61
Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 3
преимущественно ингибирующее влияние этих сигнальных молекул на сегментарный интернейронный аппарат спинного мозга.
1. B u r n a s h e v N . , M o n y e r H . , S e e b u r g P . , S a k m a n n B . // Neuron. 1992. Vol. 8. P. 189.
2. S u c h e r N . J . , A w o b u l u y i M . , C h o i Y . B . , L i p t o n S . A . // Trends. Pharmacol. Sci. 1996. Vol. 17. P. 34.
3. К у л ь ч и ц к и й В . А . , П о л е н о в С . А . , П а ш к е в и ч С . Г . и др. Регуляция функций при активации мозга. Мн., 2004.
4. V i z i E . S . // Pharmacol. Rev. 2000. Vol. 52. № 1. P. 63.
5. Ч у м а к А . Г . , С о л т а н о в В . В . , Р е у т о в В . П . , Т р и ш и н Л . С . // Функциональная роль монооксида азота и
пуринов: Сб. ст. / Ред. В.Н. Гурин и др. Мн., 2001. С. 196.
6. Ч у м а к А . Г . , С а г а ч В . Ф . , Ш а п о в а л Л . Н . и др. // Новости мед.-биол. наук. 2009. № 1. С. 19.
7. C l a x t o n C . R . , M i c h a e l W . B . // Hypertension. 2003. Vol. 41. P. 274.
8. G o r e D . C . , C h i k e s D . , H e g g e r s J . et al. // Trauma. 2001. № 51. P. 5400.
9. L e w i s K . , K a n e S . , B o b e k M . et al. // Annals of Pharmacotherapy. 2004. № 38. Vol. 37. P. 1243.
10. Ч у м а к А . Г . , Л ю з и н а К . М . , К а р а в а й Т . В . , Р у т к е в и ч С . А . // Журн. Гродн. гос. мед. ун-та. 2009.
Т. 26. № 2. С. 38.
11. Р у т к е в и ч С . А . // Молодежь в науке-2009: Прил. к журн. «Весцi НАН Беларусi». Ч. 4 (сер. мед. наук). С. 422.
12. Ч у м а к А . Г . Механизмы симпатических энтеральных рефлексов и роль монооксида азота в их реализации: Автореф. дис. … д-ра биол. наук: 03.00.13 / Ин-т физиологии НАН Беларуси. Мн., 2003.
13. M a t s u m u r a K . , A b e I . , T s u c h i h a s h i T . , F u j i s h i m a N . // Am. J. Physiol. 1998. Vol. 274. P. 11429.
14. M a t s u o k a H . , N i s h i d a H . , N o m u r a G . et al. // Hypertension. 1994. Vol. 23. P. 971.
15. H e n e k a M . T . , F e i n s t e i n D . L . // J. Neuroimmunol. 2001. Vol. 114. № 1-2. P. 8.
16. H u b e r J . D . // Curr. Pharm. Des. 2008. № 14. Vol. 16. P. 1594.
17. H i r o n a g a K . , H i r o o k a Y . , M a t s u o I. et al. // Hypertension. 1998. Vol. 31. P. 27.
18. H i r o o k a Y . , P o l s o n J . W . , D a m p n e y R . A . // J. Hypertens. 1996. Vol. 14. P. 1317.
Поступила в редакцию 01.06.11.
Анатолий Георгиевич Чумак – доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой физиологии человека
и животных. Область научных интересов – физиология автономной нервной системы; нейрохимические механизмы формирования возбуждающих и тормозных реакций симпатической нервной системы, рецепторной функции тонкой кишки в норме и при моделировании некоторых патологических состояний организма. Автор более 140 научных работ.
Светлана Александровна Руткевич – кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии человека и животных.
Область научных интересов – нейрохимические сегментарные механизмы регуляции возбудимости мотонейронов и симпатических нейронов в условиях ноцицептивных воздействий. Автор более 50 научных работ.
Виктор Бернардович Казакевич – кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии человека и животных.
Область научных интересов – нейрохимические механизмы (особенно нитрергические и моноаминергические) регуляции
функций. Автор более 70 научных публикаций.
Ирина Юрьевна Альфер – аспирант кафедры физиологии человека и животных. Научный руководитель – А.Г. Чумак.
Область научных интересов – нейрофизиология спинного мозга. Автор 5 научных работ.
62